JP2960013B2

JP2960013B2 - 移動物体の検出用目盛及びこれを用いた移動物体の検出装置

Info

Publication number: JP2960013B2
Application number: JP8199115A
Authority: JP
Inventors: 慧清野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2016-07-29
Also published as: JPH1038549A; CN1142411C; GB2315861A; GB2315861B; GB9715927D0; CN1172246A; TW333607B; DE19731854A1; FR2752296A1; FR2752296B1; US6262802B1; CN1495407A; DE19731854B4; CN1221780C

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動する物体の位
置と姿勢を検出するのに好適な目盛及び該目盛を用いた
移動物体の検出装置に関し、更に詳しくは、目盛を２つ
の異なる方向に既知の関数で変化する角度格子から構成
し、この角度格子と該角度格子面に対して相対的に移動
する角度センサとを組み合わせることにより移動物体の
位置及び姿勢を精密に検出できるようにした検出装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械等において、そのＸＹテ
ーブルや刃物等の移動物体の位置を検出するに際して
は、１自由度ごとにロータリエンコーダやリニアエンコ
ーダ等の測定装置が必要になる。例えば、２次元の位置
決めを行う場合は、ｘ軸またはｙ軸に位置決めできるそ
れぞれのステージを２段に重ねてそれぞれに測定装置を
設けたり、円周目盛と１軸ステージを組み合わせた測定
装置で回転の位置と半径の位置をそれぞれ独立に測定し
て位置決めするようにしている。また、レーザ干渉変位
計を用いてｘｙ方向の位置を決める場合は、２つの変位
計と、変位検出方向に直角な移動範囲に亘って形状精度
の保証された高精度の直定規等を組合せて位置を検出し
ている。

【０００３】また、従来において、移動物体のピッチン
グ及びヨーイングに相当する姿勢を検出する場合は、オ
ートコリメータが利用されるが、このオートコリメータ
は１軸の直線方向の移動に対して、そのピッチング及び
ヨーイングを同時に測定できる反面、ｘｙ２軸の移動物
体に対しては高精度の直定規を必要とする。

【０００４】更に、移動物体のローリングを測定する手
段として水準器が知られているが、この水準器は応答速
度や測定精度に問題があり、高精度の測定機器には不適
格である。そこで、平行な２本の直定規を設置して、そ
の直定規までの距離の差からローリング角を算出する方
法や１本の直定規を基準の鏡面としてオートコリメータ
でローリング角を検出するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の検出装置に用いられるロータリエンコーダ
やリニアエンコーダ等の測定装置は、１次元の位置決め
しかできず、２次元の位置決めには上記の測定装置を少
なくとも２組組み合わせる必要があり、移動物体検出装
置の設計に大きな制約がある。また、レーザ干渉変位計
を用いて位置決めする場合も本質的に１軸で１次元の位
置決めしかできず、２次元の位置決めを行う場合には、
高い精度の直定規が必要になり、その結果、この種の移
動物体検出装置を工作機械等に設ける場合、構造上に制
約があり、かつコスト高になるという問題がある。ま
た、従来の検出装置では、位置を決めるエンコーダと、
姿勢変化を検出する測定系が別々に構成されるため、移
動物体の２次元位置、ピッチング、ローリング及びヨー
イングを検出するには、検出装置が更に複雑になり、コ
スト高となる問題がある。また、光電式のリニアスケー
ルなどでは、目盛とその読取装置との配置に高い位置精
度を要するため、複数の読取装置を配置してスケールの
長さ以上に測定範囲を拡大することが難しく、その結
果、長い移動範囲には長いスケールが必要になる。

【０００６】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもの
で、移動物体の２次元位置と移動物体が移動する時の姿
勢変化を精密に検出できる移動物体検出用の目盛及び該
目盛を用いた移動物体の検出装置を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、移動する物体の位置及び各種姿勢の少なく
とも１つを検出する目盛であって、目盛が、目盛基板の
平面及び自由曲面を含む表面上または面内に形成され、
角度に関する性質が２つの異なる方向に既知の関数の形
で変化する角度格子から形成されるものである。本発明
はまた、前記角度格子が、基板表面上または面内に交叉
する２方向に角度に関する性質が正弦波状に変化する一
定振幅の山谷の集合から構成されるものである。本発明
はまた、前記角度格子が、電気光学的結晶または容器内
に満たされた電磁気力または光に反応する液体に電磁気
的なパワーを付与することで該電気光学的結晶または液
体に屈折率の既知の関数の形の変化を与えて構成される
ものである。本発明はまた、前記角度格子が、直交座
標、円筒座標、極座標もしくは自由曲面に沿う座標を構
成するものである。

【０００８】本発明は、移動する物体の位置を検出する
検出装置であって、目盛基板の平面及び自由曲面を含む
表面上または面内に形成され、角度に関する性質が２つ
の異なる方向（ｘ，ｙ方向）に既知の関数の形で変化す
る角度格子から構成される目盛と、この目盛の角度格子
面に対向して配置された少なくとも１個の２次元角度セ
ンサを備え、前記目盛及び角度センサのいずれか一方を
移動物体に取り付け、前記目盛及び角度センサの相対的
移動における移動物体の２次元座標位置を検出すること
を特徴とする。

【０００９】本発明は、移動する物体の位置及び各種姿
勢を検出する検出装置であって、目盛基板の平面及び自
由曲面を含む表面上または面内に形成され、角度に関す
る性質が２つの異なる方向（ｘ，ｙ方向）に既知の関数
の形で変化する角度格子から構成される目盛と、この目
盛の角度格子面と対向し、かつｘ，ｙ方向に互いに所定
間隔離して配置された少なくとも一対の２次元角度セン
サを備え、前記目盛及び角度センサのいずれか一方を移
動物体に取り付け、前記目盛及び角度センサの相対的移
動における移動物体の２次元座標位置とピッチング及び
ローリング角を検出することを特徴とする。

【００１０】本発明は、移動する物体の位置及び各種姿
勢を検出する検出装置であって、目盛基板の平面及び自
由曲面を含む表面上または面内に形成され、角度に関す
る性質が２つの異なる方向（ｘ，ｙ方向）に既知の関数
の形で変化する角度格子から構成される目盛と、この目
盛の角度格子面と対向し、かつｘ，ｙ方向に互いに所定
間隔離して配置された少なくとも３個の２次元角度セン
サを備え、前記目盛及び角度センサのいずれか一方を移
動物体に取り付け、前記目盛及び角度センサの相対的移
動における移動物体の２次元座標位置とピッチング、ロ
ーリング及びヨーイング角を検出することを特徴とす
る。

【００１１】本発明は、移動する物体の位置もしくは各
種姿勢の１つを検出する検出装置であって、目盛基板の
平面及び自由曲面を含む表面上または面内に形成され、
角度に関する性質が１軸方向（ｘ方向）に既知の関数の
形で変化する角度格子から構成される目盛と、この目盛
の角度格子面に対向して配置された角度センサを備え、
前記目盛及び角度センサのいずれか一方を移動物体に取
り付け、前記目盛及び角度センサの相対的移動における
移動物体の１軸方向の位置を検出することを特徴とす
る。

【００１２】本発明はまた、請求項８に記載の１軸方向
の角度格子に対して、その１軸方向に所定間隔離して配
置した一対の角度センサで検出した１軸方向（移動方
向）の傾斜角から角度形状関数に関する２点法により１
軸方向の移動物体の位置とピッチング角を検出すること
を特徴とする。本発明はまた、請求項９に記載の角度セ
ンサを、１軸方向（移動方向）の変化を該移動方向及び
それと直角な方向の変化を検出する２次元角度センサか
ら構成し、この２次元角度センサにより１軸方向の位置
とピッチング角及びローリング角を検出することを特徴
とする。本発明はまた、前記角度格子の角度変化が、複
数の周波数の異なる正弦波を重ねた形に構成されるもの
である。本発明はまた、前記角度センサが、光学式、電
磁気量検出式や機械接触式の所定の間隔離して配列した
複数の変位計から構成され、この隣接する２つの変位計
の差動出力を角度センサの出力とすることを特徴とす
る。本発明はまた、前記角度センサに既知の方向と既知
の大きさの回転角を与えて該角度センサを距離センサと
して機能させ、相対移動における前記目盛の角度格子面
と角度センサ間の距離もしくは該距離の変化量を検出で
きるように構成されるものである。本発明はまた、前記
目盛が、弾性を有する板、弾性的な性質を有する平面ま
たは曲面や結晶体もしくは液面または密閉容器内に満た
された液体に一定周期の振動を付与した時の定在波によ
り、その表面もしくは内面に角度に関する性質が空間的
に変化する角度格子面を生成させることで構成されるも
のである。本発明はまた、前記目盛を、角度格子面を有
する複数の分割目盛から構成し、この分割目盛を移動物
体の移動領域に合わせて複数間欠的にもしくは連続して
配列する構成にしたものである。本発明はまた、進行波
を発生させ、この進行波により面の角度変化が生じる角
度格子を形成し、その角度格子の時間との関連で２次元
位置を決める構成になっているものである。本発明はま
た、前記角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基
づいて角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果の補
正をする手段を備える構成にしたものである。本発明は
また、前記角度センサに対して前記角度格子のｘ，ｙ方
向に一定量の相対移動を与え、該相対移動の前後におけ
る角度センサの各検出値とその差値とを基に角度格子の
既値の理想形状からの誤差を校正するデータを算出する
手段と、前記算出した校正データを格納する格納手段を
備えるものである。

【００１３】上記のように構成された本発明において
は、目盛が、角度形状を表わす２次元の角度格子から形
成されるため、単一の目盛に角度センサを組み合わせる
だけで移動物体の２次元の位置検出は勿論のこと、ピッ
チング角、ローリング角及びヨーイング角をも検出する
ことが可能になる。また、角度格子とすることにより、
直交座標、円筒座標、極座標もしくは自由曲面に沿う座
標のような２次元の座標に関する位置検出も可能にな
る。

【００１４】また、本発明の移動物体の検出装置におい
ては、２次元の角度格子からなる目盛に少なくとも１個
の２次元角度センサを組み合わせることにより、目盛及
び角度センサの相対的移動における移動物体の２次元座
標位置を検出することができ、更に角度センサに既知の
所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサ間の
距離も検出することができる。また、本発明の移動物体
の検出装置においては、２次元の角度格子からなる目盛
に少なくとも２個の２次元角度センサを組み合わせるこ
とにより、目盛及び角度センサの相対的移動における移
動物体の２次元座標位置、ピッチング及びローリング角
を検出することができ、更に角度センサに既知の所定の
角度変化を与えることで、目盛と角度センサ間の距離も
検出することができる。また、本発明の移動物体の検出
装置においては、２次元の角度格子からなる目盛に少な
くとも３個の２次元角度センサを組み合わせることによ
り、目盛及び角度センサの相対的移動における移動物体
の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨ
ーイング角を検出することができ、更に角度センサに既
知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサ
間の距離も検出することができる。

【００１５】また、本発明の移動物体の検出装置におい
ては、１軸方向（ｘ方向）に既知の関数の形で変化する
角度格子から構成される目盛に少なくとも１対の角度セ
ンサを組み合わせることにより、１軸方向の位置とピッ
チング角及びローリング角を検出することが可能にな
る。

【００１６】また、本発明においては、角度格子の角度
変化が、複数の周波数の異なる正弦波を重ねた形に構成
されることにより、例えば、ｘ方向の角度格子面におい
て、その全長を１周期とする正弦波的角度変化と、その
Ｍ倍の周波数の正弦波の角度変化を重ねて１つの角度格
子とする時、ある位置にある角度センサに高周波の周期
より大きい振幅で一定の振動をｘ方向に与えると、その
角度センサの出力には、角度格子面の２個の周波数成分
が含まれる。この中、低周波成分は全長を１周期とする
角度格子成分を与えるので、それから全長に対する角度
センサの位置が検出され、高周波成分は、高周波の角度
格子成分を与えるので、それから精密な位置検出が可能
になる。また、低周波成分として、角度形状が直線的に
変化するもの、角度形状の微分が直線的に変化するもの
を選ぶことも可能である。更に、角度格子面に原点を設
けておけば、原点復帰後の角度センサの移動は原点から
の絶対座標を与えることになる。

【００１７】また、本発明においては、角度センサを、
光学式、電磁気量検出式や機械接触式の互いに所定間隔
で配列した複数の変位計から構成し、各変位計の差動出
力から高さ形状変化として与えられた前記角度格子面の
形状の傾斜角度変化を検出することにより、これを角度
情報の代わりに利用でき、ｘ，ｙ方向に２個ずつ、計４
個、あるいは三角形の各頂点に配列した３個の変位計を
所定間隔で配置すれば、２次元角度センサとして機能す
る。

【００１８】また、本発明においては、目盛が、弾性を
有する板、弾性的な性質を有する平面または曲面や結晶
体もしくは液面または密閉容器内に満たされた液体に一
定周期の振動を付与した時の定在波により、その表面も
しくは内面に角度に関する性質が空間的に変化する角度
格子面を形成することができ、振動が付与されている間
だけ角度格子面として利用できる。

【００１９】また、本発明においては、目盛を、角度格
子面を有する複数の分割目盛から構成し、この分割目盛
またはこの目盛を読みとる角度センサを移動物体の移動
領域に合わせて複数間欠的にもしくは連続して配列する
構成にすることにより、角度センサが相対的に１つの角
度格子面から外れても、これに隣接する分割目盛または
角度センサによって角度格子面の位置情報を検出するこ
とができ、角度センサと角度格子の相対的移動範囲を拡
大することが可能になる。また、本発明においては、角
度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度
格子による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正
手段を備えることにより、角度格子を高精度に作成でき
ない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデ
ータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測
定データの補正が可能になる。また、本発明において
は、角度センサに対して前記角度格子のｘ，ｙ方向に一
定量の既知の相対移動を与え、該相対移動の前後におけ
る角度センサの各検出値とその差値とを基に角度格子の
既値の理想形状からの誤差を校正するデータを自律的に
得ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形
態における検出装置を目盛と１つの２次元角度センサで
構成した場合の配置関係を示す原理構成図である。角度
目盛は高さが周期的に変化する波形で構成し、角度セン
サはその目盛の斜面の傾斜角を検出する光学式センサと
する。また、角度変化の関数はｘ，ｙ方向の傾斜がそれ
ぞれｆ（ｘ，ｙ），ｇ（ｘ，ｙ）で表わされるものとす
る。

【００２１】図１において、１０は固定側に配設される
目盛、２０は図示省略した移動側のセンサ取付台に設け
られる角度センサである。目盛１０を構成する基板１０
１の平面上には、平面上の直交する２方向（ｘ，ｙ方
向）に既知の関数の形で変化する正弦波状の山谷の集合
からなる角度格子１０２が形成され、この角度格子１０
２が２次元位置を検出するための目盛を構成する。この
目盛１０の角度格子１０２と相対向する面には、この角
度格子面から所定間隔離して１つの角度センサ２０が平
行に移動可能に配置され、この角度センサ２０はこれか
ら発射される光線を角度格子１０２に照射し、角度格子
１０２からのｘ，ｙ方向の反射方向を検出するものであ
り、この角度センサ２０を目盛２０に対してｘ，ｙ方向
に相対的に移動させた時の移動物体の２次元座標位置を
検出する。

【００２２】例えば、角度格子１０２における直交する
２方向、即ちｘ，ｙ方向の周期をそれぞれＴx ，Ｔy 、
振幅をａ，ｂとした時の正弦波は、ｆ（ｘ，ｙ）＝ａｓｉｎ（２πｘ／Ｔx ）・・・・・・・・・・・（Ａ）ｇ（ｘ，ｙ）＝ｂｓｉｎ（２πｙ／Ｔy ）・・・・・・・・・・・（Ｂ）となる。この２次元角度格子面に対して、ｘ，ｙ２方向
の反射方向を検出する角度センサ２０を移動させると、
角度格子１０２の山に対する高さが同一でも、山の斜面
によって２方向の角度が違うため、この違いにより２次
元の位置を明確に決定できる。これにより、移動物体の
２次元座標位置を検出することができる。

【００２３】なお、上記式（Ａ），（Ｂ）の単独の正弦
波の波長間の内挿には、従来の干渉計での波長間内挿の
種々の手法が応用できる。波長間を内挿するときだけ角
度センサ本体を機械的に、或いは光電式の角度センサで
は光線だけを電気光学的に、ｘ，ｙそれぞれの方向に振
って、それぞれの方向にＴx ／４，Ｔy ／４だけ、すな
わち、π／２だけ位相のずれた２つの信号を得ることで
も可能である。勿論、Ｔx ／４，Ｔy ／４だけ位相のず
れた位置を検出するセンサを追加して、π／２だけ位相
のずれた２つの信号を同時に検出してもよい。

【００２４】また、光電式スケールの読取りで用いられ
る、複数の目盛の位置の平均値を読みとることで、目盛
間隔の誤差の影響を減少させる手法を応用して、隣接し
た複数個の山の同じ位相での傾斜角の平均値を読取るた
めに複数本の光線を照射して受光する角度センサを用い
てもよい。

【００２５】図２は、本発明の第２の実施の形態におけ
る検出装置を目盛と２つの２次元角度センサで構成した
場合の配置関係を示す原理構成図であり、２次元の位置
とピッチング角及びローリング角を検出できる場合を示
している。図２において、目盛１０を構成する基板１０
１の平面上には、平面上の直交する２方向（ｘ，ｙ方
向）に既知の関数の形で変化する角度格子１０２が図１
の場合と同様に形成され、この角度格子１０２と相対向
する面には、この角度格子面から所定間隔離して一対の
角度センサ２０Ａ，２０Ｂが配置されている。この角度
センサ２０Ａ，２０Ｂは、これから発射される光線を角
度格子１０２に照射し、角度格子１０２からのｘ，ｙ方
向の反射方向を検出するもので、角度格子面と平行な平
板状のセンサ取付台２０１に支持され、更に、この角度
センサ２０Ａと２０Ｂはｘ，ｙ方向にそれぞれｄx ，ｄ
y だけ離して配列されている。これにより、角度センサ
２０Ａは座標（ｘ，ｙ）の位置にあるｘ，ｙ方向の傾斜
角を検出し、角度センサ２０Ｂは座標（ｘ＋ｄx ，ｙ＋
ｄy ）の位置にあるｘ，ｙ方向の傾斜角を検出する。

【００２６】図２の実施の形態において、センサ取付台
のピッチング角（ｘ方向の傾斜）をｐｅ（ｘ，ｙ）、ロ
ーリング角（ｙ方向の傾斜）をｒｅ（ｘ，ｙ）とし、角
度センサ２０Ａ、２０Ｂのｘ方向の角度出力をｍa1，ｍ
a2とし、ｙ方向の角度出力をｍb1，ｍb2した時、それぞ
れは次式で与えられる。ｍa1＝ｆ（ｘ，ｙ）＋ｐｅ（ｘ，ｙ）・・・・・・・・・・・・・・・(1) ｍb1＝ｇ（ｘ，ｙ）＋ｒｅ（ｘ，ｙ）・・・・・・・・・・・・・・・(2) ｍa2＝ｆ（ｘ＋ｄx ，ｙ＋ｄy ）＋ｐｅ（ｘ，ｙ）・・・・・・・・・(3) ｍb2＝ｇ（ｘ＋ｄx ，ｙ＋ｄy ）＋ｒｅ（ｘ，ｙ）・・・・・・・・・(4) この各式(1) 〜(4) により、ｍa2−ｍa1＝ｆ（ｘ＋ｄx ，ｙ＋ｄy ）−ｆ（ｘ，ｙ）・・・・・・・(5) ｍb2−ｍb1＝ｇ（ｘ＋ｄx ，ｙ＋ｄy ）−ｇ（ｘ，ｙ）・・・・・・・(6) となり、ｆ，ｇが既知関数で判っていれば、式(5) ，
(6) からｘ，ｙが決定できる。

【００２７】例えば、ｆ，ｇがｆ（ｘ，ｙ）＝ａｃｏｓ（２πｘ／Ｔx ）・・・・・・・・・・・・・(7) ｇ（ｘ，ｙ）＝ｂｃｏｓ（２πｙ／Ｔy ）・・・・・・・・・・・・・(8) の周期関数で与えられると、ａ，ｂ，ｄx ，ｄy ，Ｔx
，Ｔy が判っていれば、式(5) ，(6) からｘ，ｙが決
定できる。この時、出力信号の周期的変化の数（波の
数）を数えておけば、ｘ，ｙがＴx ，Ｔy よりも大きい
場合も問題はない。その結果、ピッチング角ｐｅもロー
リング角ｒｅも、式(1) ，(2) で求められる。

【００２８】なお、上述した式のｘ，ｙにはピッチング
角ｐｅ、ローリング角ｒｅ及び角度格子面から角度セン
サまでの距離ｄz に起因する、角度センサの真の位置
Ｘ，Ｙと角度格子面上での検出位置ｘ，ｙの違いは考慮
されていない。これらの関係は次式で与えられる。Ｘ＝ｘ−ｐｅ（ｘ，ｙ）ｄz ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9) Ｙ＝ｙ−ｒｅ（ｘ，ｙ）ｄz ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(10) 従って、ｘ，ｙ，ｐｅ，ｒｅが求まった後に、式(9) ，
(10)と既知のｄz を用いてＸ，Ｙを求めることができ
る。更に、この関係を利用すれば、角度センサを単独
で、或はセンサ取付台を一体で、既知の角度α0 だけ、
或はβ0 だけ回転する機構を角度センサ側に設けること
により、式(9) ，(10)と同様な関係から未知のｄz を求
めることができる。即ち、角度α0 ，β0 の回転によっ
て生じる角度センサの出力変化に相当するｘ，ｙ方向の
変位をｘ0 ，ｙ0 として次式が成り立つ。ｄz ＝ｘ0 ／α0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(11) ｄz ＝ｙ0 ／β0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(12)

【００２９】また、上記式(11)，(12)に示すｘ，ｙ方向
の変位ｘ0 ，ｙ0 に相当する値を、例えば数目盛間隔の
ように一定値となる時の角度α0 ，β0 を計測して、ｄ
z を求めることができる。これは角度センサと角度格子
面間距離を検出するセンサを兼ねることになる。

【００３０】図３は、本発明の第３の実施の形態におけ
るセンサを３つの２次元角度センサで構成した場合を示
し、移動物体の２次元の位置とピッチング角、ローリン
グ角及びヨーイング角を検出できる場合を示している。
この第３の実施の形態においては、図３に示すように、
図２に示す場合と同様な角度格子面と平行な平板状のセ
ンサ取付台２０２の平面内における二等辺三角形の各頂
点に配設した３個の角度センサ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ
を備え、角度センサ２０Ｃは、原点の角度センサ２０Ａ
からｘ，ｙ方向に（ｄx ，−ｄy ）の位置にあり、その
ｘ方向及びｙ方向の角度出力をｍa3，ｍb3とし、角度セ
ンサ２０Ｂのｘ方向及びｙ方向の角度出力をｍa2，ｍb2
とし、原点の角度センサ２０Ａを回転中心としたヨーイ
ング角度γを考慮すると、次式の関係が得られる。ｍa2＝ｆ（ｘ＋ｄx ＋γｄy ，ｙ＋ｄy ＋γｄx ）＋ｐｅ（ｘ，ｙ）・・・・・(13) ｍb2＝ｇ（ｘ＋ｄx ＋γｄy ，ｙ＋ｄy ＋γｄx ）＋ｒｅ（ｘ，ｙ）・・・・・(14) ｍa3＝ｆ（ｘ＋ｄx −γｄy ，ｙ−ｄy ＋γｄx ）＋ｐｅ（ｘ，ｙ）・・・・・(15) ｍb3＝ｇ（ｘ＋ｄx −γｄy ，ｙ−ｄy ＋γｄx ）＋ｒｅ（ｘ，ｙ）・・・・・(16)

【００３１】ｐｅが既知か、無視できるほど小さい時に
は、式(1) からｘが、また式(13)からγが判り、これに
より式(14)，式(16)を使ってｙとｒｅが求まる。逆に、
ｒｅが無視できるか、既知の場合の同様に、式(2) ，式
(14)からｙ，γが求められた後に、式(13)，式(15)を使
ってｘとｐｅが求まる。ｐｅもｒｅも未知で、無視でき
ない大きさの時は、各角度センサの差動出力だけからγ
を求める必要がある。

【００３２】なお、ｆ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ＋ｄy ）＝ｆ（ｘ，ｙ−ｄy ）・・・・・・(17) ｇ（ｘ，ｙ）＝ｇ（ｘ＋ｄx ，ｙ）・・・・・・・・・・・・・・・・(18) などとおいても一般性を失わないので、次式が得られ
る。ｍa2−ｍa1＝ｆ（ｘ＋ｄx ＋γｄy ，ｙ）−ｆ（ｘ，ｙ）・・・・・・(19) ｍa3−ｍa1＝ｆ（ｘ＋ｄx −γｄy ，ｙ）−ｆ（ｘ，ｙ）・・・・・・(20) まず、γを微少量として、ｆ，ｇのｘ，ｙによる偏微分
を添字ｘ，ｙをつけてｆｘ，ｆｙで表わすと、ｍa2−ｍa3＝２γｄy ｆx （ｘ＋ｄx ，ｙ）・・・・・・・・・・・・(21) となり、関数ｆx （ｘ＋ｄx ，ｙ），ｄy が既知なの
で、γが求まる。

【００３３】同様に、ｍb2−ｍb3＝γｄx ｛ｇy （ｘ，ｙ＋ｄy ）−ｇy （ｘ，ｙ−ｄy ）｝・・・・・(22) となり、ｙ方向の角度出力からも微小量γが求まる。γ
が求まるとｘ，ｙ，α，βが求まるので、これらを記録
する。この微小量γを逐次求めながら、緩やかに変化す
るγを累積すれば必要な位置での最終的なγが求められ
る。このことは、ｘ，ｙが緩やかに或は微小量だけ変化
する場合にも同様で、例えば式(22)で与えられた差動出
力の変化量から、ｙが既知で一定ならば簡単にγが求め
られるので、一度決めたｙの変化が小さいとしてγを求
め、それを元に他の量も決めて行けば、ｙが緩やかに、
或は微小にしか変化しない場合にも対応できることは明
らかである。

【００３４】一般に、精密機器で全ての自由度が同等の
速度で、同等の大きさで変化するものは考えにくいの
で、どれか１つでも変化が小さいか、緩やかなものを選
んで上述のγの場合と同様な演算処理をすると、全ての
自由度、即ち２次元座標に関する位置、角度格子面から
角度センサまでの距離、移動物体のピッチング角、ロー
リング角及びヨーイング角の変化量がすべて決定できる
ことになる。

【００３５】なお、角度センサ２０Ｂ，２０Ｃが、２０
Ａからｘ，ｙ方向に対してそれぞれ（ｄｘ，ｏ），
（ｏ，ｄｙ）の位置にある直角三角形上の配置でも、ま
たもっと一般的な三角形上の配置であってもよい。ま
た、上述の原理は、移動する物体の位置検出だけでな
く、同一の物体を繰り返し同じ希望位置と姿勢に際設定
するのめにも適用できる。従って、２次元の角度変化に
よる物体上の予め決めた目印を使用して、物体と角度セ
ンサの相対位置と姿勢を検出できる構成にしておけば、
半導体製造装置などのウエハの位置決めなどに有効に利
用できる。

【００３６】図４は、ｘ方向にのみ正弦波状の角度変化
を与える平面状の角度格子と角度センサでｘ方向の位置
とピッチング角及びローリング角を検出できるようにし
た本発明の第４の実施の形態における原理構成図であ
る。図４において、目盛１０を構成する基板１０１の平
面上には、ｘ方向に角度の変化する１次元角度格子１０
３が形成され、この角度格子１０３の角度変化は既知の
関数ｆ（ｘ）で表わされるものとし、２個の角度センサ
２０Ａ，２０Ｂを間隔ｄｘ離してｘ方向に配列して、平
板状のセンサ取付台２０３に取り付けられている。この
角度センサ２０Ａ，２０Ｂをセンサ取付台２０３ごとｘ
方向に角度格子と相対移動させた時、移動側のｘ方向の
位置とピッチング角及びローリング角を検出できる。

【００３７】この実施の形態において、２つの角度セン
サ２０Ａ、２０Ｂの出力をｍ１，ｍ２とすると、次式で
表わされる。ただし、ｐｅ（ｘ）はピッチング角であ
る。ｍ１＝ｆ（ｘ）＋ｐｅ（ｘ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・(23) ｍ２＝ｆ（ｘ＋ｄｘ）＋ｐｅ（ｘ）・・・・・・・・・・・・・・・(24) もし、ピッチング角を無視できる状況では、角度センサ
を１個用いてｘ方向に移動すると、その出力のｆ（ｘ）
の変化から、ｘ方向の位置が判る。また、Ｐｅ（ｘ）が
無視できない場合は、２個の角度センサの出力の差を取
ると、ｍ２−ｍ１＝ｆ（ｘ＋ｄｘ）−ｆ（ｘ）・・・・・・・・・・・・・(25) となり、既知関数の差はやはり既知の関数である。従っ
て、この差動出力（ｍ２−ｍ１）の変化から、角度セン
サのｘの位置を知ることができる。ｘが判ればｍ１から
ピッチング角ｐｅ（ｘ）を計算で求めることができる。

【００３８】上述する２個の角度センサをｘ，ｙ両方向
に角度を検出する２次元角度センサとすると、上記のピ
ッチング角の２点法と同様に目盛のｘ，ｙ方向の角度形
状（理想的には変化がゼロ）が求まり、その角度目盛の
ｙ方向の角度がわかれば、角度センサのｙ方向の角度出
力からセンサ取付台、即ち、移動物体のローリング角ｒ
ｅ（ｘ）を検出することができる。

【００３９】図４のセンサ取付台に、図示省略した既知
量Ｄだけ取付台をｘ，ｙ方向に微小移動する機構を備え
て角度格子の校正データを求めることのできる実施形態
もある。このとき、理想的な正弦波の形状（設計上の形
状）をｆ（ｘ）、実際の角度格子のｆ（ｘ）からのずれ
をｅ（ｘ）とする。まず、角度センサの移動によるピッ
チングを無視して考える。まず、ｆ（ｘ）の関数を利用
して、ｘを決め、その位置（実際には誤差ｅ（ｘ）の影
響で未知の誤差δｘを含む）で圧電素子などを使って角
度センサをＤだけｘ方向にシフトして、シフト前後の角
度センサの出力をそれぞれｍ１，ｍ１_Dとする。この二
つの出力の差から次式を得る。ｍ１_D−ｍ１＝ｆ（ｘ＋δｘ＋Ｄ）−ｆ（ｘ＋δｘ）＋ｅ（ｘ＋δｘ＋Ｄ）−ｅ（ｘ＋δｘ）・・・・・・(26) δｘを微小として、ｅ（ｘ）の近似導関数として次式を
得る。ｅ′(ｘ）＝｛ｅ（ｘ＋Ｄ）−ｅ（ｘ）｝／Ｄ ≒［ｍ１_D−ｍ１−｛ｆ（ｘ＋Ｄ）−ｆ（ｘ）｝］／Ｄ・・・(27) この式で、｛ｆ（ｘ＋Ｄ）−ｆ（ｘ）｝は既知関数なの
で、右辺は既知の関数である。したがって、この近似導
関数ｅ′(ｘ）を何等かの方法で数値積分すれば、ｅ
（ｘ）の近似関数ｅ_C（ｘ）が計算される。この時に導
関数の近似や数値積分による公式誤差は、周波数毎に決
まった割合になるので、フーリエ変換と逆フーリエ変換
を介して補正できる。また、ｆ（ｘ）で評価したｘの位
置を、上で求めたｅ（ｘ）の近似曲線ｅ_c（ｘ）を用い
て補正してから、数値積分をやり直すと、新しく求めた
ｅ（ｘ）の近似曲線の精度を向上させることができる。
補正量δｘが十分小さくなるまでこのｘの位置の補正を
繰り返せば、必要な精度の校正曲線が得られる。

【００４０】つぎに、角度センサのｘ方向の移動の際の
ピッチングの影響を取り除くために、間隔ｄｘでｘ方向
に並べた２本の角度センサをｘ方向に１列に並べる方式
での校正について説明する。２本の角度センサの出力を
ｍ１，ｍ２として、ｍ１（ｘ）＝ｆ（ｘ）＋ｅ（ｘ）＋ｐｅ（ｘ）・・・・・・・・・・・(28) ｍ２（ｘ）＝ｆ（ｘ＋ｄｘ）＋ｅ（ｘ＋ｄｘ）＋ｐｅ（ｘ）・・・・・(29) ここで、ｐｅ（ｘ）はｘの位置でのセンサのピッチング
である。

【００４１】ピッチングの影響を除去するために、次式
で与えられる２本のセンサの差動出力を用いる。ｍ２（ｘ）−ｍ１（ｘ）＝｛ｆ（ｘ＋ｄｘ）−ｆ（ｘ）｝＋｛ｅ（ｘ＋ｄｘ）−ｅ（ｘ）｝＝ｆ１（ｘ）＋ｅ１（ｘ）・・・・・・・・・(30) ここで、ｆ１（ｘ）＝ｆ（ｘ＋ｄｘ）−ｆ（ｘ）・・・・・・・・・・・・・・(31) ｅ１（ｘ）＝ｅ（ｘ＋ｄｘ）−ｅ（ｘ）・・・・・・・・・・・・・・(32) と記述している。

【００４２】このｆ１（ｘ）は元の角度格子のｘ方向と
同じ周期を有する関数で、これを改めて格子の理想関数
と見做すことができる。ｄｘが既知で、ｆ（ｘ）の理想
的な形状（変位計でいえば平均感度）が判明していれ
ば、ｆ１（ｘ）の理想的な形状も判り、それを用いてｘ
を推定することができる。

【００４３】また、２本の角度センサを取り付けた台を
ｘ方向にＤだけシフトして、そのシフトの前後に角度セ
ンサの出力を読み取る態様にすれば、上記の［００３
６］で述べたのと同様にｅ１（ｘ）の導関数の近似値が
次式のように求まる。ｅ1′(ｘ）＝｛ｅ１（ｘ＋Ｄ）−ｅ１（ｘ）｝／Ｄ ≒［ｍ２_D（ｘ）−ｍ２（ｘ）−｛ｍ１_D（ｘ）−ｍ１（ｘ）｝ −｛ｆ１（ｘ＋Ｄ）−ｆ１（ｘ）｝／Ｄ・・・・・・・・(33) ただし、ｍ１_D（ｘ），ｍ２_D（ｘ）はｘの位置でＤだけ
シフトした時の角度センサ１，２の出力である。

【００４４】この式で、｛ｆ１（ｘ＋Ｄ）−ｆ１
（ｘ）｝は既知関数なので、左辺は既知の関数である。
したがって、この近似導関数ｅ1′(ｘ）を何等かの方法
で数値積分すれば、ｅ１（ｘ）の近似関数ｅ1_C（ｘ）が
計算される。また、ｆ１（ｘ）で評価したｘの位置を、
上で求めたｅ１（ｘ）の近似曲線ｅ１_C（ｘ）を用いて
補正（補正量をδｘとする）してから数値積分をやり直
すと、新しく求めたｅ１（ｘ）の近似の精度を向上させ
ることができる。補正量δｘが十分小さくなるまでこの
ｘの位置の補正を繰り返せば、必要な精度の校正曲線が
得られる。ｅ１（ｘ）の最終結果をもう１度積分すると
ｅ（ｘ）が求まり、それより角度格子の角度形状が得ら
れ、２本のｘ方向角度センサでｘ方向の位置とピッチン
グを検出するための角度格子の校正が完了する。

【００４５】図５は、極座標による位置決めを可能にし
た本発明の第５の実施の形態における原理構成図であ
る。この図５において、円板５０上に半径方向と円周方
向に既知の関数で角度の変化する２次元角度格子５１を
形成することにより、極座標用の目盛５２を構成する。
そして、この目盛５２の２次元角度格子面に沿って相対
移動する角度センサ５３を対向配置し、角度センサ５３
で極座標による位置決めを可能にする。なお、第５の実
施の形態において、２次元角度格子５１は図５に示す形
状のものに限定されず、渦巻き線に沿って角度変化を与
える２次元角度格子であってもよい。

【００４６】図６は、円筒座標による位置決めを可能に
した本発明の第６の実施の形態における原理構成図であ
る。この図６において、円筒体６０の外周面の母線方向
とこれに直交する円周方向に既知の関数で変化する角度
格子６１を形成して、円筒座標用の目盛６２を構成す
る。そして、この目盛６２の角度格子面に沿って相対移
動する角度センサ６３を対向配置し、この角度センサ６
３で円筒座標による位置決めを可能にする。なお、第６
の実施の形態において、角度格子６１は図６に示す形状
のものに限定されず、螺旋に沿って角度形状が変化する
形式の角度格子であってもよい。また、図１〜図６の実
施の形態において、角度センサとそれに角度情報を与え
る光線などの線源を分離して、角度格子面を挟む構成に
し、透過光線などの角度変化を検出する装置であっても
よい。この時の角度格子は、屈折率の変化でも、透過板
の裏面の凹凸で透過光の方向を変化させるものであって
もよい。

【００４７】図７は、球座標による位置決めを可能にし
た本発明の第７の実施の形態における原理構成図であ
る。この図７において、球体７０の内面に２次元角度格
子７１を形成することにより、球座標用の目盛７２を構
成する。そして移動物体に設けた３つの角度センサ７３
により移動物体自身の位置を決めることができる。ま
た、球体７０の中心部での回転物体の３方向の姿勢を検
出して、回転中心の微小な３方向の振れを検出すること
ができる。

【００４８】図８は原子間力顕微鏡のセンサの原理を利
用して、接触式の角度センサを構成し、結晶などの微細
格子を角度格子とする２次元の位置決めを可能にした本
発明の第８の実施の形態における原理構成図である。こ
の図８において、結晶体８０の結晶面８１を目盛用の２
次元角度格子として利用するもので、結晶面８１にその
原子間力または接触圧力で位置の決まる接触子８２を近
接点の面法線の方向によってたわみ率の変化する２方向
のマイクロレバー８３，８４を順次結合し、このマイク
ロレバー８３，８４に図示省略の光源から光を照射し、
マイクロレバー８３，８４からの光反射方向を半導体光
位置検出器等の光センサにより検出することで、角度形
状の変化を検知し、２次元の位置決めを可能にする。こ
の実施の形態にあっては、結晶面８０の原子の並びを目
盛用の２次元角度格子として利用することができる。な
お、マイクロレバー８３，８４のたわみを検出するため
の光センサの代わりに他の原理変化センサを用いてもよ
く、また、マイクロレバーに歪ゲージをはりつけてもよ
い。

【００４９】なお、本発明は、上記実施の形態に記載し
た構成のものに限定されない。例えば、角度格子の角度
変化を、複数の周波数の異なる正弦波を重ねた形に構成
にしてもよい。また、上記角度格子は、透明な板材の内
部の材料組成の変化による光の屈折率の変化で実現する
方式であっもよく、外部から加える電磁気的力、力学的
力により屈折率の変化する材料を単体または容器に閉じ
込めて用いてもよい。また本発明の目盛は、弾性を有す
る板、弾性的な性質を有する平面、結晶体もしくは液面
に一定周期の起励力を付与した時の定在波により、その
表面もしくは内面に角度に関する性質が既知の関数の形
に変化する角度格子面を生成させることで構成にしても
よい。また本発明は、目盛を、角度格子面を有する複数
の分割目盛から構成し、この分割目盛を移動物体の移動
領域に合わせて複数間欠的にもしくは連続して配列する
構成にすることもできる。角度格子面の数を増す代わり
に、同一機能を有する角度センサの組を複数組、角度格
子面の大きさよりも狭い間隔で配設する構成にすること
もできる。また本発明は、角度センサに対して前記角度
格子のｘ，ｙ方向に一定量の相対移動を与え、該相対移
動の前後における角度センサの各検出値とその差値とを
基に角度格子の既値の理想形状からの誤差を校正するデ
ータを算出する手段を備えてもよく、また、前記算出し
た校正データまたは通常の比較校正で得た校正データを
格納する格納手段及び前記校正データに基づいて角度格
子による座標位置と各種姿勢角の測定結果を補正する補
正手段を備える構成にしてもよい。また本発明は、進行
波を発生させ、この進行波により面の変化が一様な角度
格子を形成し、その角度格子の時間との関連で２次元位
置を決める構成にすることもできる。また、本発明にお
いては、角度格子を、電気光学的結晶または密閉容器内
に満たされた電磁気力または光に反応する液体に電磁気
的または光学的なパワーを付与することで該電気光学的
結晶または液体に屈折率の既知の関数の形の変化を与え
る構成にしてもよい。

【００５０】

【発明の効果】上記のように本発明によれば、移動物体
の位置検出または各種姿勢検出に使用される目盛が、角
度形状を表わす２次元の角度格子から形成されるため、
単一の目盛に角度センサを組み合わせるだけで移動物体
の２次元の位置検出は勿論のこと、ピッチング角、ロー
リング角及びヨーイング角をも検出することができる。
また、角度格子とすることにより、直交座標、円筒座
標、極座標もしくは自由曲面に沿う座標のような２次元
の座標に関する位置検出も可能になる。

【００５１】また、本発明によれば、２次元の角度格子
からなる目盛に少なくとも１個の２次元角度センサを組
み合わせることにより、目盛及び角度センサの相対移動
における移動物体の２次元座標位置を検出することがで
きるとともに、角度センサに既知のピッチング角、ロー
リング角などの姿勢変化を与えれば、目盛と角度センサ
間の距離も同時に検出することができる。また、本発明
によれば、２次元の角度格子からなる目盛に少なくとも
１対の２次元角度センサを組み合わせることにより、目
盛と角度センサの相対移動における移動物体の２次元座
標位置とピッチング及びローリング角を検出することが
できるとともに、角度センサに既知のピッチング角、ロ
ーリング角などの姿勢変化を与えれば、目盛と角度セン
サ間の距離も同時に検出することができる。また、本発
明によれば、２次元の角度格子からなる目盛に少なくと
も３個の２次元角度センサを組み合わせることにより、
目盛と角度センサの相対移動における移動物体の２次元
座標位置と目盛とピッチング角、ローリング角及びヨー
イング角を検出することができるほか、角度センサに既
知のピッチング角、ローリング角などの姿勢変化を与え
れば、目盛と角度センサ間の距離も同時に検出すること
ができる。

【００５２】また、本発明によれば、１軸方向（ｘ方
向）に既知の関数の形で変化する角度格子から構成され
る目盛に少なくとも１対の角度センサを組み合わせるこ
とにより、１軸方向の位置とピッチング角及びローリン
グ角を検出することができる。

【００５３】また、本発明によれば、角度格子の角度変
化が、複数の周波数の異なる正弦波を重ねた形に構成さ
れることにより、精密な位置検出が可能になる。また、
本発明によれば、角度センサを、光学式、電磁気量検出
式や機械接触式の互いに所定の間隔で配列した複数の変
位計から構成し、各変位計の差動出力から高さ形状変化
として与えられた前記角度格子面の形状の傾斜角度変化
に相当する量を検出することにより、これを角度情報の
代わりに利用でき、かつ３個以上の変位計を所定の間隔
に２次元的に配置すれば、２次元角度センサとして機能
させることができる。

【００５４】また、本発明によれば、目盛が、弾性を有
する板、弾性的な性質を有する平面または曲面や結晶体
もしくは液面または密閉容器内に満たされた液体に一定
周期の振動を付与した時の定在波により、その表面もし
くは内面に角度に関する性質が空間的に変化する角度格
子面を形成することができ、振動が作用している間だけ
角度格子面として利用できる。

【００５５】また、本発明によれば、目盛を、角度格子
面を有する複数の分割目盛から構成し、この分割目盛を
移動物体の移動領域に合わせて複数間欠的にもしくは連
続して配列する構成にすることにより、角度センサが相
対的に１つの角度格子面から外れても、これに隣接する
分割目盛の角度格子面の位置情報を検出することがで
き、角度センサと角度格子の相対的移動範囲を拡大する
ことができる。また、本発明によれば、角度格子の角度
形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子による座
標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を備える
ことにより、角度格子を高精度に作成できない場合、校
正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿
で近似演算させることで校正結果を元に測定データの補
正が可能になるという効果を有する。また、本発明によ
れば、角度センサに既知の移動量を与えることで、角度
格子の理想形状からの誤差を自律的に校正することがで
き、角度格子の精度が悪いときに、その誤差成分を補正
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における検出装置を
目盛と１つの２次元角度センサで構成した場合の配置関
係を示す原理構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態における検出装置を
目盛と２つの２次元角度センサで構成した場合の配置関
係を示す原理構成図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態におけるセンサを３
つの２次元角度センサで構成した場合を示す概略斜視図
である。

【図４】本発明の第４の実施の形態におけるｘ方向にの
み正弦波状の角度変化を与える平面状の角度格子と角度
センサでｘ方向の位置とピッチング角及びローリング角
を検出できるようにした原理構成図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態における極座標によ
る位置決めを可能にした原理構成図である。

【図６】本発明の第６の実施の形態における円筒座標に
よる位置決めを可能にした原理構成図である。

【図７】本発明の第７の実施の形態における球座標によ
る位置決めを可能にした原理構成図である。

【図８】本発明の第８の実施の形態における原子間力顕
微鏡のセンサの原理を利用して接触式の２次元角度セン
サと微細格子による２次元位置検出装置を構成する原理
図である。

【符号の説明】

１０目盛１０２目盛基板１０２，１０３角度格子２０角度センサ２０Ａ〜２０Ｃ角度センサ２０１，２０２，２０３センサ取付台５１角度格子５２目盛５３角度センサ６１角度格子６２目盛６３角度センサ７１角度格子７２目盛８１結晶面８２接触子８３，８４マイクロレバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 21/00 G01B 11/00 G01B 7/00 G01D 5/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】移動する物体の位置及び各種姿勢の少な
くとも１つを検出する目盛であって、目盛基板の平面及
び自由曲面を含む表面上または面内に形成され、角度に
関する性質が２つの異なる方向に既知の関数の形で変化
する角度格子から形成される移動物体の検出用目盛。
【請求項２】前記角度格子は、基板表面上または表面
内の交叉する２方向に角度に関する性質が正弦波状に変
化する一定振幅の山谷の集合から構成される請求項１記
載の移動物体の検出用目盛。
【請求項３】前記角度格子は、電気光学的結晶または
容器内に満たされた電磁気力または光に反応する液体に
電磁気的または光学的なパワーを付与することで該電気
光学的結晶または液体に屈折率の既知の関数の形の変化
を与えて構成される請求項１記載の移動物体の検出用目
盛。
【請求項４】前記角度格子は、直交座標、円筒座標、
極座標もしくは自由曲面に沿う座標を構成する請求項１
ないし３のいずれか１項に記載の移動物体の検出用目
盛。
【請求項５】移動する物体の位置を検出する検出装置
であって、目盛基板の平面及び自由曲面を含む表面上に
または面内に形成され、角度に関する性質が２つの異な
る方向（ｘ，ｙ方向）に既知の関数の形で変化する角度
格子から構成される目盛と、この目盛の角度格子面に対
向して配置されたｘ，ｙそれぞれの方向の各度を検出で
きる少なくとも１個の２次元角度センサを備え、前記目
盛及び角度センサのいずれか一方を移動物体に取り付
け、前記目盛及び角度センサの相対的移動における移動
物体の２次元座標位置を検出することを特徴とする移動
物体の検出装置。
【請求項６】移動する物体の位置及び各種姿勢を検出
する検出装置であって、目盛基板の平面及び自由曲面を
含む表面上または面内に形成され、角度に関する性質が
２つの異なる方向（ｘ，ｙ方向）に既知の関数の形で変
化する角度格子から構成される目盛と、この目盛の角度
格子面と対向し、かつｘ，ｙ方向に互いに所定間隔離し
て配置された少なくとも一対の２次元角度センサを備
え、前記目盛及び角度センサのいずれか一方を移動物体
に取り付け、前記目盛及び角度センサの相対的移動にお
ける移動物体の２次元座標位置とピッチング及びローリ
ング角を検出することを特徴とする移動物体の検出装
置。
【請求項７】移動する物体の位置及び各種姿勢を検出
する検出装置であって、目盛基板の平面及び自由曲面を
含む表面上または面内に形成され、角度に関する性質が
２つの異なる方向（ｘ，ｙ方向）に既知の関数の形で変
化する角度格子から構成される目盛と、この目盛の角度
格子面と対向し、かつｘ，ｙ方向に互いに所定間隔離し
て配置された少なくとも３個の２次元角度センサを備
え、前記目盛及び角度センサのいずれか一方を移動物体
に取り付け、前記目盛及び角度センサの相対的移動にお
ける移動物体の２次元座標位置とピッチング、ローリン
グ及びヨーイング角を検出することを特徴とする移動物
体の検出装置。
【請求項８】移動する物体の位置もしくは各種姿勢を
検出する検出装置であって、目盛基板の平面及び自由曲
面を含む表面上または面内に形成され、角度に関する性
質が１軸方向（ｘ方向）に既知の関数の形で変化する角
度格子から構成される目盛と、この目盛の角度格子面に
対向して配置された角度センサを備え、前記目盛及び角
度センサのいずれか一方を移動物体に取り付け、前記目
盛及び角度センサの相対的移動における移動物体の１軸
方向の位置を検出することを特徴とする移動物体の検出
装置。
【請求項９】請求項８に記載の１軸方向の角度格子に
対して、その１軸方向に所定間隔離して配置した一対の
角度センサで検出した１軸方向（移動方向）の傾斜角か
ら角度形状関数に関する２点法により１軸方向の移動物
体の位置とピッチング角を検出することを特徴とする移
動物体の検出装置。
【請求項１０】請求項９に記載の角度センサを、１軸
方向（移動方向）の変化を該移動方向及びこれと直角な
方向の変化を検出する２次元角度センサから構成し、こ
の角度センサにより１軸方向の位置とピッチング角及び
ローリング角を検出することを特徴とする移動物体の検
出装置。
【請求項１１】前記角度格子の角度変化は、複数の周
波数の異なる正弦波を重ねた形に構成される請求項５な
いし１０のいずれか１項に記載の移動物体の検出装置。
【請求項１２】前記角度センサは、光学式、電磁気量
検出式や機械接触式の所定の間隔離して配列した複数の
変位計から構成され、この隣接する２つの変位計の差動
出力を角度センサの出力とすることを特徴とする請求項
５ないし１１のいずれか１項に記載の移動物体の検出装
置。
【請求項１３】前記角度センサに既知の方向と既知の
大きさの回転角を与えて該角度センサを距離センサとし
て機能させ、相対移動における前記目盛の角度格子面と
角度センサ間の距離もしくは該距離の変化量を検出でき
るように構成される請求項５ないし１２のいずれか１項
に記載の移動物体の検出装置。
【請求項１４】前記目盛は、弾性を有する板、弾性的
な性質を有する平面または曲面や結晶体もしくは液面ま
たは密閉容器内に満たされた液体に一定周期の振動を付
与した時の定在波により、その表面もしくは内面に角度
に関する性質が既知の関数の形で変化する角度格子面を
生成させることで構成される請求項５ないし１３のいず
れか１項に記載の移動物体の検出装置。
【請求項１５】前記目盛を、角度格子面を有する複数
の分割目盛から構成し、この分割目盛またはこの目盛を
読取る角度センサを移動物体の移動領域に合わせて複数
間欠的にもしくは連続して配列する構成になっている請
求項５ないし１４のいずれか１項に記載の移動物体の検
出装置。
【請求項１６】進行波を発生させ、この進行波により
面の角度変化が生じる角度格子を形成し、その角度格子
の時間との関連で２次元位置を決める構成にした請求項
５ないし１５のいずれか１項に記載の移動物体の検出装
置。
【請求項１７】前記角度格子の角度形状の誤差を校正
した結果に基づいて角度格子による座標位置と姿勢角の
測定結果の補正をする手段を備える請求項５ないし１６
のいずれか１項記載の移動物体の検出装置。
【請求項１８】前記角度センサに対して前記角度格子
のｘ，ｙ方向に一定量の相対移動を与え、該相対移動の
前後における角度センサの各検出値とその差値とを基に
角度格子の既値の理想形状からの誤差を校正するデータ
を算出する手段と、前記算出した校正データを格納する
格納手段を備える請求項５ないし１７のいずれか１項に
記載の移動物体の検出装置。